Para astronom telah menemukan beberapa lubang hitam supermasif yang sangat tua, yang terbentuk ketika Semesta masih sangat muda. Tetapi mereka bingung bagaimana lubang hitam bisa tumbuh dengan ukuran luar biasa ketika Semesta itu sendiri masih balita.
Para astronom kini menemukan serangkaian kondisi unik yang hadir setengah miliar tahun setelah Big Bang yang memungkinkan lubang hitam monster ini terbentuk. Sumber radiasi intens yang tidak biasa menciptakan apa yang disebut "lubang hitam runtuh langsung."
"Ini keajaiban kosmik," kata Volker Bromm dari The University of Texas di Austin, yang bekerja dengan beberapa astronom tentang penemuan itu. "Ini satu-satunya waktu dalam sejarah alam semesta ketika kondisinya tepat untuk terbentuk."
Pemahaman konvensional tentang bagaimana lubang hitam terbentuk disebut teori akresi, di mana bintang yang sangat masif runtuh dan “biji” lubang hitam dibangun dari keruntuhan dengan menarik gas dari lingkungan mereka dan dengan penggabungan lubang hitam yang lebih kecil. Tetapi proses itu membutuhkan waktu yang lama, lebih lama dari saat lubang hitam yang terbentuk dengan cepat ini ada. Ditambah lagi, alam semesta awal tidak memiliki jumlah gas dan debu yang dibutuhkan untuk lubang hitam supermasif untuk tumbuh hingga ukuran raksasa mereka.
Temuan baru menunjukkan bahwa beberapa lubang hitam pertama terbentuk langsung ketika awan gas runtuh, melewati fase perantara lainnya, seperti pembentukan dan penghancuran berikutnya bintang masif.
Tentu saja, seperti lubang hitam apa pun, lubang hitam "runtuh langsung" ini tidak dapat dilihat. Tetapi ada bukti kuat untuk keberadaan mereka, karena mereka diperlukan untuk menyalakan quasar yang sangat bercahaya yang terdeteksi di alam semesta muda. Kecerahan besar quasar berasal dari materi yang berputar ke dalam lubang hitam supermasif, memanas hingga jutaan derajat, menciptakan jet yang bersinar seperti suar di Semesta. Tetapi karena teori akresi tidak menjelaskan lubang hitam supermasif di alam semesta yang sangat jauh - dan karena itu masih muda -, para astronom juga tidak bisa menjelaskan quasar. Ini disebut "masalah benih quasar."
"Quasar yang diamati di alam semesta awal menyerupai bayi raksasa di ruang bersalin yang penuh dengan bayi normal," kata Avi Loeb dari Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian, yang bekerja dengan Bromm. “Orang bertanya-tanya: apa yang istimewa tentang lingkungan yang mengasuh bayi-bayi raksasa ini? Biasanya reservoir gas dingin di galaksi terdekat seperti Bima Sakti sebagian besar dikonsumsi oleh pembentukan bintang. "
Tetapi pada tahun 2003, Bromm dan Loeb datang dengan ide teoretis untuk mendapatkan galaksi awal untuk membentuk lubang hitam benih supermasif, dengan menekan input energi yang sebaliknya menghalangi dari pembentukan bintang. Mereka menyebut proses itu "runtuh langsung."
"Mulailah dengan" awan purba hidrogen dan helium, diliputi oleh radiasi ultraviolet, "kata Bromm. "Kau menghancurkan awan ini di bidang gravitasi halo materi gelap. Biasanya, awan akan bisa mendingin, dan terpecah-pecah membentuk bintang. Namun, foton ultraviolet menjaga gas panas, sehingga menekan setiap pembentukan bintang. Ini adalah kondisi yang diinginkan, hampir ajaib: runtuh tanpa fragmentasi! Ketika gas semakin padat, akhirnya Anda memiliki kondisi untuk lubang hitam besar. "
Rangkaian kondisi kosmik ini tampaknya hanya ada di alam semesta yang sangat awal, dan proses ini tidak terjadi di galaksi-galaksi saat ini.
Untuk menguji teori mereka, Bromm, Loeb, dan rekan mereka Aaron Smith mulai mempelajari galaksi yang disebut CR7, yang diidentifikasi oleh survei Teleskop Luar Angkasa Hubble yang disebut COSMOS sekitar sekitar 1 miliar tahun setelah Ledakan Dahsyat.
David Sobral dari Universitas Lisbon telah melakukan pengamatan tindak lanjut CR7 dengan beberapa teleskop berbasis darat terbesar di dunia, termasuk Keck dan VLT. Ini mengungkap beberapa fitur yang sangat tidak biasa dalam tanda tangan ringan yang berasal dari CR7. Secara khusus, garis hidrogen Lyman-alpha beberapa kali lebih cerah dari yang diharapkan. Hebatnya, spektrum tersebut juga menunjukkan garis helium yang sangat terang.
"Apa pun yang mendorong sumber ini sangat panas - cukup panas untuk mengionisasi helium," kata Smith, sekitar 100.000 derajat Celcius.
Ini dan fitur-fitur lain yang tidak biasa dalam spektrum berarti bahwa itu bisa berupa gugusan bintang purba atau lubang hitam supermasif yang kemungkinan terbentuk oleh keruntuhan langsung.
Smith menjalankan simulasi untuk kedua skenario dan sementara skenario gugus bintang "gagal secara spektakuler," kata Smith, model lubang hitam runtuh langsung dilakukan dengan baik.
Juga, awal tahun ini, para peneliti menggunakan data gabungan dari Chandra X-ray Observatory, Hubble Space Telescope, dan Spitzer Space Telescope untuk mengidentifikasi kemungkinan benih lubang hitam ini. Mereka menemukan dua objek, keduanya cocok dengan profil teoretis dalam data inframerah. (baca makalah mereka di sini.)
Tampaknya para astronom “berkumpul pada model ini,” kata Smith, untuk memecahkan masalah benih quasar dan teka-teki awal lubang hitam.
Tetap disini.
Karya Bromm, Loeb, dan Smith diterbitkan dalam jurnal Monthly Notices of Royal Astronomical Society.
Sumber:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, Siaran pers untuk deteksi lubang hitam runtuh langsung NASA awal tahun ini.
